基于直線電機控制轉(zhuǎn)向力的汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)探討
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用直線步進電機控制轉(zhuǎn)向助力的汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)
圖2 用直線步進電機控制轉(zhuǎn)向助力的汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理
如圖2所示，其直線步進電機的動件直接與轉(zhuǎn)向器齒條相連，整個直線步進電機套裝在轉(zhuǎn)向器齒條機構(gòu)上，幾乎不占用空間。它也是在原先結(jié)構(gòu)最簡單的無助力機械轉(zhuǎn)向系中增加一臺直線步進電機，由直線步進電機的直線推力來直接助力駕駛員對轉(zhuǎn)向器的操縱力矩，由于對轉(zhuǎn)向器的助力并不很大，齒條的直線位移量也不長，用一臺小型直線步進電機足以驅(qū)動。其控制原理與eps基本類同，只不過對電機的驅(qū)動需改用前述步進電機脈沖分配方式。具體實施可參照有關(guān)eps[1]中的電子控制器ecu與其控制邏輯等進行，并借用eps中相關(guān)傳感器。即根據(jù)轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角信號控制直線步進電動機位移量，利用轉(zhuǎn)向輪轉(zhuǎn)角信號來實現(xiàn)閉環(huán)控制，精確控制其位移量，根據(jù)車速進行相應(yīng)的助力。在低速時給予較大助力，隨車速提高而減小助力，車速高到一定范圍時停止助力，而在汽車高速行駛時又希望能對轉(zhuǎn)向系統(tǒng)有一種“反向”助力，即適當增加轉(zhuǎn)向系的阻尼。這一點對于現(xiàn)有的轉(zhuǎn)向系較難做到，而采用直線步進電機助力就很容易實現(xiàn)，根據(jù)直線步進電機工作原理可知，只要保持其電機的通電狀態(tài)即可使該直線位移裝置具有一定自鎖力，控制其通電電流大小即可改變定、動件之間的磁拉力大小。從而可按車速信號根據(jù)要求來控制其轉(zhuǎn)向助力的大小，隨著車速的提高即減小繞組通電電流，其轉(zhuǎn)向助力也隨之減小；當車速高于相應(yīng)速度(一般為30km/h)時就取消給轉(zhuǎn)向系助力，即停止給直線步進電機供電；而當車速高到一定程度時，希望能給轉(zhuǎn)向系逐漸增加其阻尼，可使直線步進電機繞組保持通電狀態(tài)而產(chǎn)生自鎖力，控制其電流大小即能改變對轉(zhuǎn)向系的阻尼大小。達到對轉(zhuǎn)向盤的操縱即輕便靈敏又穩(wěn)定可靠。
用直線步進電機控制轉(zhuǎn)向力的汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)
圖3 用直線步進電機控制轉(zhuǎn)向力的汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理
如圖3所示，它進一步簡化了轉(zhuǎn)向系的結(jié)構(gòu)，去掉轉(zhuǎn)向盤至橫拉桿中間的所有傳動鏈，包括齒輪輸入軸扭桿及齒輪齒條付。轉(zhuǎn)向盤內(nèi)安裝有轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角傳感器，并適當增加其轉(zhuǎn)動阻尼，獨立安置于駕駛室內(nèi)。而直線步進電機的動件兩端直接與左右橫拉桿相連，電子控制器根據(jù)轉(zhuǎn)向盤的轉(zhuǎn)向角度信號及車速信號，來控制直線步進電機動件進行左右位移，經(jīng)橫拉桿、轉(zhuǎn)向節(jié)臂傳動，進而控制車輪轉(zhuǎn)向。在確保系統(tǒng)可靠性的前提下，該方案的優(yōu)點是結(jié)構(gòu)更簡單、所占體積更小、成本低、控制更直接、響應(yīng)更快。但一旦系統(tǒng)發(fā)生故障，汽車就無法轉(zhuǎn)向。而用在四輪轉(zhuǎn)向4ws系統(tǒng)的后輪轉(zhuǎn)向機構(gòu)中卻是優(yōu)選的方案。它的應(yīng)用有望使汽車四輪轉(zhuǎn)向4ws系統(tǒng)的性價比進一步得以提高。
結(jié)語
文中闡述了為提高汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的快速響應(yīng)性和滿足在不同車速下有相應(yīng)的助力等功能要求，在對汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)各功能要求與其相應(yīng)機構(gòu)運行原理的分析基礎(chǔ)上，根據(jù)轉(zhuǎn)向機構(gòu)最終帶動轉(zhuǎn)向節(jié)臂的橫拉桿均為左右直線運動等特點，提出了用直線步進電機直接帶動左右橫拉桿的兩種汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)控制機構(gòu)。此設(shè)計方案可使控制更直接，動態(tài)響應(yīng)更快，又省去了大部分機械或液壓部件，使結(jié)構(gòu)更簡捷，且利用直線步進電機的控制特點，即可方便地充分滿足轉(zhuǎn)向力隨車速變化的各控制要求，又提高了轉(zhuǎn)向精度。該設(shè)計方案的實施還有助于提高高性能汽車四輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的性價比。
作者簡介
王貴明(1950-) 男 高級工程師，研究方向：數(shù)控伺服技術(shù)，電動汽車、智能交通等相關(guān)技術(shù)及機電一體化。
參考文獻
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[4] 王貴明．直線電機進給系統(tǒng)特點及改進方案[j]．制造技術(shù)與機床．1999.6．
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